Как измеряется напряжение в физике

Напряжение тока.

Наверняка, у каждого из нас, хотя бы раз в жизни, возникали вопросы о том, что такое ток, напряжение тока, заряд и др. Все это составляющие одного большого физического понятия – электричество. Давайте, на простейших примерах, попробуем изучить основные закономерности электрических явлений.

Что такое электричество.

Электричество – это совокупность физических явлений, связанных с возникновением, накоплением, взаимодействием и переносом электрического заряда. По мнению большинства историков науки, первые электрические явления были открыты древнегреческим философом Фалесом в седьмом веке до нашей эры. Фалес наблюдал действие статического электричества: притяжение к натертому шерстью янтарю легких предметов и частичек. Чтобы повторить этот опыт самостоятельно вам необходимо потереть о шерстяную или хлопковую ткань любой пластиковый предмет (например, ручку или линейку) и поднести его к мелконарезанным кусочкам бумаги.

Первой серьезной научной работой, в которой описаны исследования электрических явлений стал трактат английского ученого Уильяма Гилберта «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» изданный в 1600 г. В этой работе автор описал результаты своих опытов с магнитами и наэлектризованными телами. Здесь же впервые упоминается термин электричество.

Исследования У. Гилберта дали серьезный толчок развитию науки об электричестве и магнетизме: за период с начала 17 до конца 19 века было проведено большое количество экспериментов и сформулированы основные законы, описывающие электромагнитные явления. А в 1897 году английский физик Джозеф Томсон открыл электрон – элементарную заряженную частицу, которая определяет электрические и магнитные свойства вещества. Электрон (на древнегреческом языке электрон – это янтарь) имеет отрицательный заряд примерно равный 1,602*10-19 Кл (Кулона) и массу равную 9,109*10-31 кг. Благодаря электронам и другим заряженным частицам происходят электрические и магнитные процессы в веществах.

Что такое напряжение.

Для лучшего понимания взаимосвязей между разностью потенциалов, электрическим зарядом и током воспользуемся следующим наглядным примером. Представим емкость с трубой внизу, наполненную до определенного уровня водой. Условимся, что количество воды соответствует величине заряда, высота воды в емкости (давление столба жидкости) – это напряжение, а интенсивность выхода потока воды из трубы – это электрический ток.

Чем больше воды в резервуаре, тем больше высота столба воды и выше давление. Аналогично в электрических явлениях: чем больше величина заряда, тем выше напряжение необходимое для его переноса. Начнем выпускать воду: давление в резервуаре будет уменьшаться. Т. е. с уменьшением величины заряда – снижается напряжение тока. Также наглядно это видно при работе фонарика с начавшими разряжаться батарейками: по мере того как разряжаются батарейки яркость лампочки становится все меньше и меньше.

Электрический ток.

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. Носителями заряда, при этом, могут быть электроны, ионы, протоны и дырки. Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. В зависимости от наличия или отсутствия заряженных частиц в веществах, они могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Условно направлением движения тока считается направление от положительно заряженного полюса к отрицательному. На практике направление движения зараженных частиц зависит от знака их заряда: отрицательно заряженные электроны движутся от минуса к плюсу, положительно заряженные ионы – от плюса к минусу.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. Сила тока обозначается буквой I и измеряется в Амперах (А). Сила тока в 1 А возникает при прохождении через поперечное сечение проводника заряда в 1 К за 1 сек.

Вернемся к примеру, с водой в емкости. Возьмем два резервуара с одинаковым уровнем воды, но разными диаметрами труб на выходе.

Сравним характер вытекания воды из обоих резервуаров: уровень воды в левом баке уменьшается быстрее, чем в правом. Т. е. интенсивность истечения воды зависит от диаметра трубы. Попробуем уравнять два потока: добавим в правый бак воду, таким образом увеличив высоту столба жидкости. Это повысит давление в правом баке и, соответственно, увеличит интенсивность истечения воды. Аналогично и в электрических цепях: с увеличением напряжения тока, увеличивается и его сила. Аналогом диаметра трубы в цепи является электрическое сопротивление проводника.

Приведенные примеры с водой наглядно демонстрируют связь между электрическим током, напряжением тока и сопротивлением.

Различают постоянный и переменный электрические токи. Если заряженные частицы постоянно движутся в одном направлении, то в цепи – постоянный ток и, соответственно, постоянное напряжение тока. Если направление движения частиц периодически меняется (они перемещаются то в одном, то в другом направлении), то это – переменный ток и возникает он, соответственно, при наличии переменного напряжения (т. е. когда разность потенциалов меняет свою полярность). Для переменного тока характерно периодическое изменение величины силы тока: она принимает то максимальное, то минимальное значения. Эти значения силы тока являются амплитудными, или пиковыми. Частота изменения полярности напряжения может быть разной. Например, в нашей стране эта частота равна 50 Герц (т. е. напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду), а в США частота переменного тока – 60 Гц (Герц).

Источник

Единица измерения напряжения

Напряжением в электрике называется работа, которую проделывает электрополе, чтобы элементарный заряд переместился по проводнику из одного места в другое. Каждый физик и электротехник должны знать, в каких единицах измеряется напряжение, как принято его обозначать и измерять.

Как возникает напряжение

Прежде, чем рассматривать единицы измерения электрического напряжения, необходимо выяснить природу этого явления. В составе атомов любого вещества имеются ядро, несущее «плюсовой» заряд, и быстро обращающиеся вокруг электроны с «минусовым». Поскольку число быстрых частиц идентично количеству протонов ядра, в обычном состоянии атом зарядом не обладает. Но при ликвидации одного или нескольких электронов атом начнет пытаться притянуть недостающие, образуя возле себя положительное поле. Отрицательный полевой потенциал возникает при появлении добавочных электронов.

Когда плюсовой и минусовой потенциалы сталкиваются, между ними возникает двустороннее притяжение. Чем более различаются потенциалы, тем активнее содержащиеся в отрицательно заряженном материале электроны переходят к имеющему обратный знак заряду, и тем, соответственно, больше напряжение электрического поля.

Когда соединяются потенциалы противоположно заряженных проводниковых элементов, появляется электрический ток. Так называется целенаправленное перемещение заряженных частиц, пытающееся ликвидировать потенциальную разность. Чтобы заряды двигались по проводнику, электрополе выполняет работу, характеризуемую напряжением.

В чем измеряется

Как обозначается напряжение в технической документации и на графических схемах? Единица измерения напряжения именуется вольт (В) по фамилии итальянского физика А. Вольта. Один вольт можно описать как потенциальную разницу двух точек поля, в котором с целью перемещения однокулонного заряда совершается работа в 1 джоуль.

Условное обозначение напряжения на схемах имеет вид заглавной латинской буквы V – символа единицы напряжения, заключенной в круг. Иногда вместо круга используется схематичное изображение измерительного прибора – вольтметра, идентифицируемое по литере V.

Важно! Если в некоторой сети имеется напряжение 220 В, это значит, что ее электрополе может затратить 220 джоулей с целью перемещения заряженных частиц через нагрузку и цепь. Для электрических приборов номинальное напряжение полагается обозначить в паспорте. Иногда оно указывается и в составе маркировки на передней панели корпуса (например, у счетчиков электроэнергии).

От чего зависит напряжение

Фиксируемый на участке электрической цепи показатель напряжения зависит от ряда факторов, например, от подсоединенной нагрузки (сопротивления). Также оказывают влияние характеристики вещества, из которого сделан проводниковый элемент, температура окружающего воздуха и самих компонентов сети.

Эффект Джозефсона

Так называется феномен сверхпроводящего тока, проходящего через слой диэлектрического материала малой толщины, изолирующий один сверхпроводящий предмет от другого. В научной работе деятеля, чьим именем назван эффект, было высказано предположение о том, что данное явление наблюдается только при использовании супертонкого слоя (значительно уступающего длине сверхпроводящей когерентности). Более поздние опыты продемонстрировали, что оно проявляет себя и при использовании куда более толстых слоев.

Применение данного феномена позволит производить высокоточные замеры напряжения, а также магнитных полей. Последнее делается возможным в силу огромной зависимости электротока, критичного для используемого в интерферометре соединения, от внешнего магнитного поля. Когда в джозефсонском переходе поддерживается константное напряжение, он может выступать в качестве генератора электромагнитного волнового излучения. Можно организовать и установку с противоположным, поглощающим эффектом. При этом как генерация, так и прием способны функционировать в частотном диапазоне, недоступном иным средствам.

Также ведутся исследования рассматриваемого эффекта и основанных на нем явлений переноса магнитного поля для передачи и накопления данных (квантовые компьютеры). Первый экспериментальный процессор такого типа был спроектирован японскими инженерами. В 2014 году работники физфака МГУ спроектировали микросхему для компьютера с использованием свойств сверхпроводников и данного эффекта.

Действующее значение напряжения

Значение электрического потенциала, имеющегося между двумя точками электросети, может быть определено по тому, какая работа была выполнена за некоторый временной отрезок, либо по выделенному количеству теплоты. В случае переменного напряжения поступают по-другому. Поскольку его характер колебаний имеет форму синусоидальной кривой, и максимальное значение показатель принимает на пике амплитуды (а при перемещении из плюсовой зоны кривой в минусовую напряжение нулевое), для вычислений применяют усредненный показатель. Именно его называют действующим, и он может быть приравнен к такому же значению постоянного напряжения.

Он меньше максимального допустимого показателя на величину, равную корню из двух от последнего (то есть примерно в 1,4 раза). У сети, имеющей номинальное напряжение 220 В, максимум, таким образом, будет равен 311 В. Эти показатели нужно учитывать, подбирая конденсаторы, диодные компоненты и другие подобные элементы для монтажа в ту или иную систему.

Определение величины напряжения

Выполняя электромонтажные работы, специалист сталкивается с разными типами напряжения. Например, розетки в квартирах и частных домах являются источниками переменного напряжения. Оно может быть понижено или повышено трансформатором, выпрямлено специальным устройством. Измерение напряжения трения производят в лабораторных условиях электрохимическим методом. Мастеру нужно знать об особенностях измерения разных видов напряжения.

Постоянное напряжение

Его можно измерить, используя магнитоэлектрические устройства. Сейчас в продаже можно найти высокоточные приборы, оснащенные цифровым дисплеем. Проще всего непосредственно подключить устройство к участку, на котором нужно провести измерения. При этом необходимо соблюдать следующие правила:

Переменное напряжение

В этом случае в ход идут измерительные приборы разных видов, за исключением магнитоэлектрических. Работают с такими аппаратами только посредством подключения к выходу выпрямителя.

Требования к измерительным приборам

Разобравшись, чем обычно измеряется напряжение, нужно понять, как решать проблему несоответствия прибора основополагающему требованию: достаточно высокому пределу измерения. Способы выхода из ситуации также зависят от тока, с которым работает мастер:

Важно! Вольтметр, которым проводят измерения, должен иметь как можно более высокое сопротивление и низкий ток. Это нужно для минимизации влияния устройства на электросеть и потерь в кабелях, направляющихся к нему от источника питания.

Замеры разности потенциалов играют важную роль для отладки электросхем и электросетей. От правильно проведенных измерений зависит надежность функционирования техники, для их выполнения нужно знать о единицах измерения напряжения.

Видео

Источник

Электрическое напряжение. Определение, объяснение простыми словами, единица измерения, формула

Одним из самых фундаментальных терминов в электротехнике является термин «электрическое напряжение». В этой статье мы объясним, что это такое и как его рассчитать.

Объяснение простыми словами

Электрическое напряжение U является той самой причиной, которая «заставляет» протекать электрический ток I. Электрическое напряжение всегда возникает, когда заряды разделены друг от друга, то есть все отрицательные заряды на одной стороне, а все положительные — на другой. Если соединить эти две стороны электропроводящим материалом, потечет электрический ток.

Общепринятое определение термина «электрическое напряжение».

Электрическое напряжение (или просто напряжение) — это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле. Это движущая сила для электрического заряда.

Потенциал в электрическом поле — это энергия заряженного тела, не зависящая от его электрического заряда. Для пояснения вы можете посмотреть на сравнение с водяным контуром чуть ниже в статье.

Есть другое определение (из учебника по физике 8 класса):

Напряжение — это физическая велuчuна, характеризующая электрическое поле. Электрическое напряжение между двумя точками электрического поля численно равно работе, совершенной при переносе между ними заряда 1 Кл силами электрического поля.

Сравнение с использованием модели протекания воды.

Хорошей аналогией, которая поможет вам представить себе электрическое напряжение и потенциал, является водяной контур. В этой схеме у вас есть два бассейна на разной высоте, которые соединены трубой. В этой трубе вода может перетекать из верхнего бассейна в нижний. Затем вода перекачивается обратно в верхний бассейн с помощью насоса, как показано на рисунке ниже.

Электрическое напряжение — сравнение с использованием модели протекания воды

В своих размышлениях вы теперь легко можете сравнить насос с источником электрического напряжения. Кроме того, поток воды можно сравнить с электрическим током. Насос транспортирует воду из нижнего бассейна в верхний. Оттуда она самостоятельно течет обратно в нижний бассейн. В данном примере насос является приводом для потока. Чем больше разница в высоте, тем сильнее поток. Решающим фактором является потенциальная энергия верхнего бассейна. Вы можете сравнить разность энергий двух бассейнов с разностью электрических потенциалов. Проще говоря, большая разница в высоте соответствует большему электрическому напряжению.

Формула

Формула для электрического напряжения U, согласно закона Ома для участка цепи, имеет вид

Как видно из этой формулы, если электрическое напряжение остается неизменным, то чем больше электрическое сопротивление (R), тем меньше сила тока (I).

Другая формула для расчета электрического напряжения такова:

То есть электрическое напряжение U равно мощности деленной на силу тока I.

Единица измерения электрического напряжения

Единицей измерения электрического напряжения в СИ является Вольт, сокращенно В (в честь итальянского учёного А. Вольта).

1 вольт (1 В) — это напряжение между двумя точками электрического поля, при переносе между которыми заряда 1 Кл совершается работа 1 Дж.

[U] = 1 В

Теперь вы можете объяснить смысл надписи 4,5 В или 9 В на круглой или плоской батарейке. Смысл в том, что при переносе с одного полюса источника на другой (через спираль лампочки или другой проводник) заряда 1 Кл силами электрического поля может быть совершена работа соответственно 4,5 Дж или 9 Дж.

Вы можете преобразовать отдельные единицы измерения следующим образом:

1 В = 1000 мВ, 1 мВ = 1000 мкВ, 1 МВ = 1000 кВ, 1 кВ = 1000 В.

Электрическое напряжение в цепи

Для источников напряжения в схемах обычно используется один из следующих символов.

Источники напряжения и электрическая цепь

Источник напряжения всегда имеет два соединения/полюса. Полюс «плюс» и полюс «минус». Само напряжение обозначено стрелкой напряжения (U_Q). Для источников оно всегда отображается от плюса к минусу.

Электрическое напряжение, падающее на резисторе, также можно обозначить стрелкой напряжения (на схеме обозначена как красная стрелка U_R ). Это указывает на техническое направление электрического тока.

Также часто можно услышать термин «напряжение холостого хода» или «напряжение источника». Это выходное напряжение ненагруженного источника, т.е. источника, к которому ничего не подключено. Если цепь замкнута с нагрузкой, то можно измерить только напряжение на полюсах источника.

Электрические напряжения при последовательном и параллельном соединении

У нас уже есть статья о последовательном и параллельном соединении проводников, в котором мы обсуждаем эту тему более подробно. Поэтому здесь мы рассмотрим лишь некоторые основы.

При последовательном соединении компоненты подключаются в ряд.

Электрическое напряжение при последовательном соединении

Здесь электрическое напряжение источника делится на резисторы. Этот момент также описывается вторым правилом Кирхгофа. Здесь применимо следующее:

то есть напряжение источника равно сумме электрических напряжений на отдельных резисторах. Напряжение источника по-разному распределяется по разным резисторам.

В электрической цепи с параллельным соединением компоненты расположены, соответственно, параллельно друг относительно друга. Это можно увидеть на следующей схеме.

Электрическое напряжение в параллельной цепи

Здесь гораздо проще определить электрические напряжения на резисторах, так как при параллельном соединении:

Поэтому электрическое напряжение на резисторах такое же высокое, как и электрическое напряжение источника.

Измерение электрического напряжения

Приборы для измерения напряжения, также называемые вольтметрами, всегда подключаются параллельно потребителю, на котором необходимо измерить электрическое напряжение.

Одним из наиболее часто используемых вольтметров является цифровой мультиметр (DMM), поэтому мы покажем вам процедуру измерения напряжения с помощью DMM. Сначала необходимо установить тип электрического напряжения (DC — постоянный ток или AC — переменный ток).

Для постоянного тока необходимо обратить внимание на правильную полярность, т.е. подключить плюс к положительному полюсу. На следующем этапе необходимо выбрать правильный диапазон измерения. Если вы не можете оценить, насколько велика измеряемая величина, установите наибольший возможный диапазон и двигайтесь от него вниз, пока не найдете нужный. Наконец, вам нужно только «считать» электрическое напряжение прибором.

Примеры типовых значений электрического напряжения

Для некоторых применений соответствующее электрическое напряжение можно найти в таблице ниже.

Вы можете видеть, что на высоковольтных линиях присутствует напряжение до мегавольт. Такие большие электрические напряжения используются для того, чтобы уменьшить потери в длинных линиях.

Решающим фактором для потребителя является мощность P, которую можно рассчитать для постоянного напряжения с помощью формулы:

P = U * I

Это означает, что электрический ток I так же важен для потребителя, как и электрическое напряжение. Согласно закону Ома, зависимость между током и напряжением имеет вид:

Если напряжение остается неизменным, сопротивление определяет величину тока. Чтобы проиллюстрировать это, представьте следующее. У вас есть три разных бассейна, которые заполнены одинаковым количеством воды. Каждый бассейн имеет слив, который различается по сечению, т.е. в одном бассейне сливная труба очень маленькая, а в другом — очень большая.

Постоянное электрическое напряжение можно определить по тому, что все емкости заполнены на одинаковую высоту. Если слив узкий в нижней части, он представляет собой большое сопротивление. Ток здесь может течь только медленно. Если сечение сливной трубы больше, то сопротивление меньше и, соответственно, может протекать больший ток.

Источник

Электрическое напряжение. Определение, виды, единицы измерения

Под электрическим напряжением понимают работу, совершаемую электрическим полем для перемещения заряда напряженностью в 1 Кл (кулон) из одной точки проводника в другую.

Как возникает напряжение?

Все вещества состоят из атомов, представляющих собой положительно заряженное ядро, вокруг которого с большой скоростью кружатся более мелкие отрицательные электроны. В общем случае атомы нейтральны, так как количество электронов совпадает с числом протонов в ядре.

Однако если некоторое количество электронов отнять из атомов, то они будут стремиться притянуть такое же их количество, формируя вокруг себя плюсовое поле. Если же добавить электронов, то возникнет их избыток, и отрицательное поле. Формируются потенциалы – положительный и отрицательный.

При их взаимодействии возникнет взаимное притяжение.

В чем измеряется

Единицей напряжения называют вольт (В). Один Вольт выражается в разности потенциалов двух точек электрического поля, силы которого совершают работу в 1 Дж для перемещения заряда в 1 Кл из первой точки во вторую. Измеряют напряжение специальным прибором — вольтметром.

От чего зависит напряжение?

Напряжение участка цепи зависит от:

Виды напряжения

Постоянное напряжение

Напряжение в электрической сети постоянно, когда с одной ее стороны всегда положительный потенциал, а с другой – отрицательный. Электрический ток в этом случае имеет одно направление и является постоянным.

Напряжение в цепи постоянного тока определяется как разность потенциалов на его концах.

При подключении нагрузки в цепь постоянного тока важно не перепутать контакты, иначе устройство может выйти из строя. Классическим примером источника постоянного напряжения являются батарейки. Применяют сети постоянного тока, когда не требуется передавать энергию на большие расстояния: во всех видах транспорта – от мотоциклов до космических аппаратов, в военной технике, электроэнергетике и телекоммуникациях, при аварийном электрообеспечении, в промышленности (электролиз, выплавка в дуговых электропечах и т.д.).

Переменное напряжение

Если периодически менять полярность потенциалов, либо перемещать их в пространстве, то и электрический ток устремится в обратном направлении. Количество таких изменений направления за определенное время показывает характеристика, называемая частотой. Например, стандартные 50 герц означают, что полярность напряжения в сети меняется за секунду 50 раз.

Напряжение в электрических сетях переменного тока является временной функцией.

Чаще всего используется закон синусоидальных колебаний.

Так получается за счет того, что переменный ток возникает в катушке асинхронных двигателей за счет вращения вокруг нее электромагнита. Если развернуть вращение по времени, то получается синусоида.

Переменный ток применяют при необходимости передавать энергию на значительные расстояния. В этих случаях эффективно использование трехфазных сетей: потери электроэнергии в проводах минимальны, простая электрогенерация (благодаря трехфазным электродвигателям без коллектора), выгодно экономически.

Трехфазный ток получают в трехфазных электродвигателях.

В них имеются сразу три катушки проводов, расположенных равномерно по кругу – через 120 градусов. Поэтому и синусоиды трехфазного тока отстают друг от друга на этот угол. Геомертическое представление трехфазного напряжения и тока выглядит в виде векторной диаграммы.

Источник